Chemikalienscreening nach EU-Standards Neurotoxisch? Neues Zebrafischmodell bringt Antworten

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Von rund 350.000 weltweit verfügbaren Chemikalien sind nur 200 auf neurotoxische Wirkungen getestet. Forschende des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung haben nun ein neues Screening-Verfahren mit Zebrafischembryonen entwickelt, das schnelle Hochdurchsatztests ermöglichen soll. Dabei klärten sie die neurotoxische Wirkung von Chlorophen auf.

Schätzungsweise 350.000 Chemikalien sind derzeit weltweit kommerziell verfügbar. Welche möglicherweise neurotoxisch wirken, also schädlich für das sich entwickelnde Gehirn sind, darüber ist kaum etwas bekannt. Bislang fehlen effiziente Testverfahren.

Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung hat nun ein Screening-Verfahren auf Basis des Zebrafischmodells entwickelt, das Neurotoxizitätstests im Hochdurchsatzverfahren ermöglicht und auf konventionelle Tierversuche verzichtet. Die Forschenden deckten die neurotoxische Wirkung sowie die dahinterstehenden molekularen Mechanismen der Chemikalie Chlorophen auf.

„Bislang sind weltweit nur etwa 200 Substanzen durch offizielle regulatorische Studien auf neurotoxische Wirkungen hin untersucht“, sagt UFZ-Ökotoxikologe Dr. David Leuthold, Erstautor der Studie. „Der Grund dafür ist, dass diese Testverfahren aufwendig, zeitintensiv und teuer sind. Hinzu kommt der ethische Aspekt, denn sie finden überwiegend mit Ratten oder Mäusen statt." Was fehlt, ist ein Screening-Verfahren, das auf konventionelle Tierversuche verzichtet und mit dem neurotoxische Wirkungen von Chemikalien schnell, sicher und kostengünstig aufgedeckt werden können.

Das Zebrafischmodell als Screening-Tool für Neurotoxizität

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Das Zebrafischmodell

Das UFZ-Team verwendete Embryonen des Zebrabärblings (Danio rerio), der in der toxikologischen Forschung häufig zum Einsatz kommt. Ein Vorteil dieses Modells ist, dass rund 70 Prozent der Gene des Zebrabärblings auch beim Menschen zu finden sind. Die Erkenntnisse aus dem Zebrafischmodell lassen sich daher wahrscheinlich auch auf den Menschen übertragen. Darüber hinaus eignen sich Fischembryonen aufgrund ihrer geringen Größe und schnellen Entwicklung für Hochdurchsatzanwendungen.

Die Forschenden haben mit dem Zebrafischmodell ein Screening-Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Chemikalien schnell auf neurotoxische Wirkungen zu testen – einschließlich der Identifikation von Chemikalien, die Lern- und Gedächtnisprozesse stören.

Licht und Ton quantifizieren neurotoxische Effekte

Doch wie können Lernen und Gedächtnis in einem Fischembryo untersucht werden? Die Wissenschaftler nutzen eine der simpelsten Formen des Lernens: die Gewöhnung an einen wiederkehrenden Reiz. „Ertönt ein akustisches Signal, löst es beim Fisch einen Schreck- oder Fluchtreflex aus. Ertönt es aber immer wieder, gewöhnt er sich daran und hört schließlich auf, auf den ungefährlichen Reiz zu reagieren“, beschreibt Leuthold.

Auch der Wechsel zwischen Hell-Dunkel-Reizen führt bei Zebrafischembryonen zu einem veränderten Schwimmverhalten. Die Forschenden kombinierten akustische und visuelle Reize und konzipiertes so ein definiertes Testverfahren.

Verschiedene Wirkmechanismen überprüft

Die Wissenschaftler testeten zunächst chemische Substanzen, deren Wirkung auf das Verhalten von Fischembryonen bekannt war. „Neurotoxische Substanzen können ganz unterschiedlich wirken. Manche führen etwa dazu, dass sich der Fischembryo nicht mehr an einen akustischen Reiz gewöhnt, wodurch ihr Fluchtreflex wiederholt ausgelöst wird. Andere Stoffe können wiederum bewirken, dass die Gewöhnung deutlich schneller eintritt“, erklärt Leuthold.

Anschließend testeten die Forschenden zehn ausgewählte Substanzen, die ein Rezeptorsystem beeinflussen, das für Lernen und Gedächtnis eine besondere Rolle spielt. Das Screening zeigte bei sechs Substanzen deutliche Effekte auf das Lernverhalten.

Eine Substanz fiel dabei besonders auf: Chlorophen, eine Chemikalie, die zu den Bioziden gehört. Im Gegensatz zu den anderen Substanzen führte Chlorophen nicht zu einer schnelleren Gewöhnung an akustische Reize, sondern blockierte das Lernverhalten gänzlich. Und es zeigte sich noch eine weitere Besonderheit: Unter der Wirkung von Chlorophen reagierten die Fischembryonen zwar noch auf akustische Reize, nicht aber auf visuelle. „Dieses Phänomen wird als paradoxe Erregung bezeichnet und tritt bei bestimmten Narkotika auf“, erläutert Leuthold.

Tierversuchsfreie Forschung

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Chlorophen im Fokus

In einer Nature Studie hatten US-amerikanische Kollegen bereits beschrieben, wie verschiedene Narkotika über GABA_A-Rezeptoren wirken, also Rezeptoren, die eine wichtige Rolle im Zentralnervensystem spielen.

Mit aus Mäusen isolierten Neuronen und menschlichen neuronalen Zellmodellen bestätigten die UFZ-Forscher nun den Wirkmechanismus explizit für Chlorophen. Sie zeigten, dass dieser Stoff ebenfalls über GABA_A-Rezeptoren wirkt. Auch Computermodelle sagten eine Bindung von Chlorophen an GABA_A-Rezeptoren voraus.

Potenzial für praktische Toxizitätstests

Zusätzlich identifizierten die Forschenden einen zweiten Wirkmechanismus über spezielle Kaliumkanäle, der das Lernverhalten der Zebrafische verändert. Diesen Mechanismus überprüften die UFZ-Forscher in ihrem Zebrafischmodell mit dem Schmerzmittel Flupirtin, welches genau über diese Kaliumkanäle wirkt. „Flupirtin rief nahezu die gleichen Verhaltensmuster hervor wie Chlorophen, einschließlich reduziertem Lernverhalten“, beschreibt Leuthold.

Die Forschenden hoffen, dass sie mit ihrem Screening-Ansatz dazu beitragen, dass Chemikalien künftig in großem Maßstab schnell, kostengünstig und ohne konventionelle Tierversuche auf neurotoxische Wirkungen getestet werden können. „Unsere Zebrafisch-Plattform steht im Einklang mit der EU-Chemikalienstrategie sowie dem Konzept des European Green Deal, da sie gefährliche Chemikalien frühzeitig identifizieren kann, bevor sie Schaden anrichten“, sagt Leuthold.

Originalpublikation: David Leuthold, Nadia K. Herold, Jana Nerlich, Kristina Bartmann, Ilka Scharkin, Stefan J. Hallermann, Nicole Schweiger, Ellen Fritsche, Tamara Tal: Multi-behavioral phenotyping in early-life-stage zebrafish for identifying disruptors of non-associative learning; Environmental Health Perspectives; DOI: 10.1289/EHP16568

Weiterführende Literatur: McCarroll, M.N., Gendelev, L., Kinser, R. et al.: Zebrafish behavioural profiling identifies GABA and serotonin receptor ligands related to sedation and paradoxical excitation, Nat Commun 10, 4078 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-11936-w

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